鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造およびろう付け方法
【課題】鋼材とアルミニウム材料とのろう付けにおいて、昇温・降温を繰り返した場合の接合界面での耐久性を安定して顕著に向上させることができる手法を提供する。
【解決手段】Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、Ａｌ素地により構成され、前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は下記（１）の条件好ましくはさらに下記（２）を満たすものである鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
（１）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下であること
（２）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は、Ｃｕ濃度が高いＡ相とＣｕ濃度が低いＢ相の２相が混在したものであること
【解決手段】Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、Ａｌ素地により構成され、前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は下記（１）の条件好ましくはさらに下記（２）を満たすものである鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
（１）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下であること
（２）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は、Ｃｕ濃度が高いＡ相とＣｕ濃度が低いＢ相の２相が混在したものであること
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材とアルミニウム材料とをろう付けすることによって得られるろう付け接合構造、およびそのろう付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材とアルミニウム材料を接合する方法としては、ボルト／ナットやかしめなどにより機械的に締結する方法、接着剤による方法、ろう付けによる方法がある。このうち、ろう付けによる接合方法は、例えば自動車のラジエーター部材など、鋼材とアルミニウム材料との間の熱伝導を重視する用途において特に有効である。鋼材とアルミニウム材料のろう付けは、従来、主としてＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材（例えばＡｌ：８８原子％、Ｓｉ：１２原子％）を用いて行われている。
【０００３】
しかし、従来のろう付けでは、鋼材と、ろう材の溶融凝固層との界面に脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）が成長しやすく、必ずしも十分な接合強度が得られないという問題があった。特許文献１には、より融点の低いＡｌ−Ｓｉ−高Ｚｎ系のろう材を用いてろう付け温度を低くすることにより、脆い反応層の成長を抑制する手法が記載されている。
【０００４】
一方、一般的な鋼材はアルミニウム材料に比べ耐食性に劣ることなどから、鋼材としてＡｌめっき鋼板を使用し、これをアルミニウム材料とろう付けする手法が試みられてきた。特許文献２には、溶融Ａｌめっき鋼板とアルミニウム合金とをろう付けする際に、Ａｌめっき鋼板の原板としてＮを添加した鋼を使用することが開示されている。鋼中のＮは鋼素地とＡｌめっき層との間にＮ濃化層を形成し、これがバリアーとなって、ろう付け時に鋼中のＦｅがろう材側に拡散するのを阻害し、その結果、脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）の成長が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特公平７−２９２０２号公報
【特許文献２】特開平９−２２０６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合は、アルミニウム材料の高い熱伝導性を利用して鋼材側を冷却する目的で利用されることが多い。アルミニウム材料は鋼材に比べ熱膨張率が大きいことから、両者間のろう付け接合部には、部材として使用されるときの昇温・降温によって、熱膨張率の差に起因した応力が付与される。鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合部には前述のように脆い合金層が形成され、ろう付け接合界面での耐久性が問題となることがある。このような合金層の問題は特許文献１、２の技術によりある程度改善することができる。
【０００７】
しかしながら、用途によっては耐食性の観点から鋼材としてステンレス鋼を使用することが想定される。ステンレス鋼の場合は特にろう付け温度が約５８０℃を超えると脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層が発達しやすい。このため例えば、従来一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて、従来と同様に高温でのろう付けを行った場合、脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の厚さが増大し、高い接合強度を安定して得ることが難しい。
【０００８】
また、ステンレス鋼の場合には特許文献１に開示されるような低融点のろう材を用いて、低温でのろう付けを試みても、接合自体が不可能であるという問題がある。これは、ステンレス鋼に特有の不動態皮膜が何らかの影響を及ぼしているものと考えられる。さらに、特許文献２に示されるようなＮ添加の手法はステンレス鋼に対して有効でないことがわかった。すなわち、Ｎ含有量の高いステンレス鋼にＡｌめっきを施す手法を採用しても、脆い合金層の成長を抑制することは困難である。これは、ステンレス鋼にはＮとの親和力の大きいＣｒが多量に含有されているので、溶融Ａｌめっき層の下にバリアーとなるＮ濃化層を形成することが困難となるからではないかと推察される。
したがって、鋼材としてステンレス鋼を使用した場合でも、鋼材とアルミニウム材料の間のろう付け接合界面における耐久性を十分に確保できるろう付け技術の確立が強く求められている。
【０００９】
一方、最近ではパワーモジュールなどの半導体基板の放熱板として、安価かつ薄肉の鋼板素材を適用しようという試みがなされている。
図１に一般的なパワーモジュールの構成例を模式的に示す。半導体素子１を搭載する半導体基板２は、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスからなる絶縁基板４の表面に銅またはアルミニウムの導体層３が接合されており、その上に半導体素子１が取り付けられる。絶縁基板４の裏面（半導体素子１と反対側の面）には熱伝導性の良好な銅またはアルミニウムからなる裏面導体層５が接合されている。半導体基板２の裏面導体層５は、ろう付けにより放熱板６と接合される。放熱板６は例えばヒートシンク７に取り付けられる。
【００１０】
絶縁基板４のセラミックスは放熱板６の金属材料に比べ熱膨張率が小さいため、絶縁基板４に拘束されている裏面導体層５の見かけの熱膨張率は放熱板６よりも小さい状態となっている。したがって、電子部品として使用されるときの繰り返しの昇温・降温によって接合界面１０には双方の熱膨張率の差に起因した応力が繰り返し付与され、接合界面１０での耐久性が問題となることがある。接合界面１０に生じるこのような応力を緩和するためには、放熱板６をできるだけ熱膨張率の小さい金属材料で構成することが有利となる。このため、例えば熱膨張率が小さく熱伝導性も比較的良好なＣｕ−Ｍｏ合金板を２枚の銅板の間に挟んだ構造の放熱板材料が採用されることもある。しかし、この種の放熱板材料は非常に高価であるという欠点がある。
【００１１】
安価で、かつ熱膨張率の小さい金属材料として、マトリクスがフェライト相である鋼材を挙げることができる。鋼材は銅やアルミニウムと比べ熱伝導性には劣るが、発明者らの検討によれば板厚を薄くすることで放熱板に要求される熱伝導特性を満たすことが可能であると考えられる。しかしながら、例えば裏面導体層５がアルミニウム材料である場合、放熱板６に鋼材を用いると、接合界面１０に生じる脆い合金層によって接合界面１０での耐久性が不十分となることが懸念される。放熱板用途に鋼材を適用する場合、耐食性の良好なステンレス鋼を採用することが想定される。ステンレス鋼を用いるとアルミニウム材料とのろう付け接合界面における耐久性を改善することが一層難しくなることは前述の通りである。
【００１２】
本発明はこのような現状に鑑み、鋼材とアルミニウム材料とのろう付けにおいて、たとえ鋼材がステンレス鋼であっても、昇温・降温を繰り返した場合の接合界面での耐久性を安定して顕著に向上させることができる手法を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、Ａｌ素地（ただしＡｌ素地中に凝固組織に起因する異相が存在していても構わない）により構成され、前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は下記（１）の条件を満たすものであり、好ましくはさらに下記（２）を満たすものである鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造によって達成される。
（１）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下であること
（２）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は、Ｃｕ濃度が異なる２種類のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の相が混在した構成を有するものであること
【００１４】
上記のろう付け接合構造は、例えば半導体基板と放熱板との接合に適用できる。すなわち本発明では、前記アルミニウム材料が半導体基板の裏面（搭載される素子と反対側の面）を構成する部材であり、前記鋼材が半導体基板と接合される放熱板である前記のろう付け接合構造が提供される。
【００１５】
このようなろう付け接合構造を構築するために手法として、本発明では、Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料を、それら双方の材料間に融点５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が介在する状態で、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度の炉中に装入してろう材を溶融させ、ろう付け接合部の鋼素地表面に成長するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法が提供される。真空ろう付けを行う場合は、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材として特にＭｇを４質量％以下の範囲で含有するものを使用すればよい。ここでいう「真空ろう付け」は上記保持温度における雰囲気の圧力を１×１０-2Ｐａ以下として行うろう付けである。「Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さ」は、ろう付け熱処理終了後（上記保持温度から常温まで冷却された時点）におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さ、すなわち、ろう付け後の材料で観察されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さである。
【００１６】
前記の鋼材としてはステンレス鋼を採用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、鋼材とアルミニウム材料のろう付けにおいて、その接合界面に両材料の熱膨張率の相違に起因した応力が繰り返し付与された場合でも高い耐久性を示す接合構造が安定して得られるようになった。鋼材としてはステンレス鋼を使用することもでき、また真空ろう付けにも対応可能である。したがって本発明は、鋼材とアルミニウム材料との間で熱伝達を行う各種部材に広く適用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〔鋼材〕
本発明では鋼材としては「Ａｌめっき鋼材」を使用する。鋼材の表面にＡｌめっき層が存在することにより、ろう材との反応性が向上し、ろう付け温度の低減が可能となる。
Ａｌめっき層は、Ｓｉを５〜１３質量％含有するＡｌ−Ｓｉ合金浴に鋼材を浸漬することによって得られる溶融Ａｌめっき層とすることが好ましい。
【００１９】
図２に、溶融Ａｌめっき鋼材のめっき層を含む断面のＳＥＭ写真を例示する。この例は母材として板厚０.８ｍｍのＳＵＨ４０９を用いたものである。めっき浴組成はＡｌ−９質量％Ｓｉであり、Ｓｉの残部はＡｌと不可避的不純物である。めっき層の鋼素地近傍には反応層が形成されている。この反応層はめっき浴のＡｌおよびＳｉと母材のＦｅが反応して形成されたものであり、母材がステンレス鋼の場合はこの反応層が成長しやすい傾向にある。ただし、めっき層の組成は浴組成とほぼ同じになることが確認されている。ろう付けを行うと、Ａｌめっき層および反応層は溶融したろう材と反応し、鋼素地近傍には新たな反応層（後述のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層）が形成されることになる。
【００２０】
溶融Ａｌめっき浴中にＳｉを含有させることにより融点が低下し、めっき浴温を下げることができる。また形成されるＡｌめっき層の融点も低下することから、ろう付け時にろう材との反応性も良好となる。このような効果を十分に得るためにはＡｌめっき層中のＳｉ含有量を５〜１３質量％とすることが好ましく、７〜１１質量％の範囲に管理しても構わない。母材として「鋼板」を使用する場合、一般的な連続溶融めっきラインを用いて製造される溶融Ａｌめっき鋼板が好適な対象となる。Ａｌめっき付着量は鋼板片面あたり例えば１５〜１５０ｇ／ｍ2とすれば良く、３０〜１００ｇ／ｍ2とすることがより好ましい。
【００２１】
母材の鋼は、溶融Ａｌめっきを施すことが可能な種々の鋼種を適用することができ、用途に応じて選択すればよい。耐食性が要求される用途に対してはステンレス鋼を採用することが望ましい。「ステンレス鋼」はＪＩＳ Ｇ０２０３：２０００の番号４２０１に示されるようにＣｒ含有量１０.５質量％以上の鋼であるが、製造性やコストを考慮するとＣｒ含有量は３２質量％以下の範囲とすることが望ましい。フェライト系鋼種はオーステナイト系鋼種よりも熱膨張率が小さいことから、例えば半導体基板を接合する放熱板の用途ではフェライト系ステンレス鋼を適用することが望ましい。アルミニウム材料自体の熱膨張率にできるだけ近い鋼材を適用したい場合はオーステナイト系ステンレス鋼が有利となる。
【００２２】
フェライト系ステンレス鋼の成分組成を例示すると、Ｃ：０.１２％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｒ：１０.５〜３２％とくに１１〜２０％であり、必要に応じてＭｏ：３％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｚｒの合計：０.８％以下、Ｎｉ：０.６％以下、Ｂ：０.１％以下、Ｖ：１％以下、Ｃａ：０.１％以下、Ｍｇ：０.１％以下、Ｙ：０.１％以下、ＲＥＭ（希土類元素）：０.１％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を挙げることができる。既存の規格鋼種としては、例えばＪＩＳ ４３０５：２００５の表４や、ＪＩＳ Ｇ４３１２−１９９１の表３に記載されるフェライト系鋼種を採用することができる。
【００２３】
オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成を例示すると、質量％で、Ｃ：０.１２％以下、Ｓｉ：４％以下とくに１％以下、Ｍｎ：５％以下とくに２％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：６〜２８％とくに８〜１４％、Ｃｒ：１５〜３２％とくに１６〜２６％、Ｎ：０.３％以下であり、必要に応じてＭｏ：７％以下とくに３％以下、Ｃｕ：４％以下とくに２％以下、Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｚｒの合計：０.８％以下、Ｂ：０.１％以下、Ｖ：１％以下、Ｃａ：０.１％以下、Ｍｇ：０.１％以下、Ｙ：０.１％以下、ＲＥＭ（希土類元素）：０.１％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を挙げることができる。既存の規格鋼種としては、例えばＪＩＳ ４３０５：２００５の表２や、ＪＩＳ Ｇ４３１２−１９９１の表２に記載されるオーステナイト系鋼種を採用することができる。
【００２４】
〔アルミニウム材料〕
アルミニウム材料は、純Ａｌや、マトリクスがＡｌ相である種々のＡｌ合金（Ａｌ含有量８０質量％以上、好ましくは８５質量％以上）が適用対象となる。既存の規格材料としては、ＪＩＳ Ｈ４０００に規定される種々のもの（１０００系〜８０００系）が採用できる。
【００２５】
〔ろう材〕
ろう材は、融点が５５０℃未満のものを使用する。５４０℃未満のものがより好ましい。アルミニウム合金用の従来一般的なろう材としてはＡｌ−Ｓｉ系のものが知られており、例えばＳｉ：約１２原子％を含む組成のものが主流である。しかし、Ａｌ−Ｓｉ系は融点が５７０℃を超えて高く、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の厚さをできるだけ薄くすることが重要となる本発明では使用できない。
【００２６】
種々検討の結果、本発明ではＣｕを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金で、融点が５５０℃未満となる組成のろう材を使用する。具体的にはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元共晶点のＡｌ−２６.７質量％Ｃｕ−５.３質量％Ｓｉ組成（共晶点温度；約５２４℃）またはこれに近い組成であって融点が５５０℃未満好ましくは５４０℃未満となる範囲の組成を採用する。ただし、フラックスを使用しない真空ろう付けに供する場合は、上記のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金にＭｇを４質量％以下の範囲で添加した組成のものを適用することが好ましい。被接合材であるＡｌめっき鋼材およびアルミニウム材料の表面は安定なＡｌ酸化物に覆われている。ろう材中に配合されるＭｇはろう材が溶融したときにＡｌ酸化物の還元剤として働き、フラックスを使用しなくてもＡｌめっき鋼材およびアルミニウム材料との反応性を確保することができる。このような作用を十分に引き出すためにはろう材中のＭｇ含有量を０.３質量％以上とすることが望ましく、０.５質量％以上とすることがより好ましい。ただし、Ｍｇをあまり多量に含有させる必要はなく、４質量％以下の範囲で調整すればよい。例えば２.５質量％以下の範囲に管理しても構わない。Ｍｇを含有させることにより、ろう材の融点は若干変動することがあるが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉの配合比が前記の共晶組成またはそれに近い組成であれば融点が５５０℃未満好ましくは５４０℃未満となるＭｇ含有Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を得ることが十分可能である。
【００２７】
〔ろう付け接合構造〕
Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いてろう付け接合すると、ろう付け部の構造は、鋼材側から順に、「鋼素地」、「Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層」、「Ａｌ素地」となる。Ａｌ素地は、アルミニウム材料が元から存在していた領域と、鋼材のＡｌめっき層、ろう材およびアルミニウム材料が反応して形成された領域からなるが、それら双方の領域の境界は必ずしも明瞭ではない。本発明のろう付け接合構造においては多くの場合、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に近い部分には通常、Ｃｕ−Ａｌ合金の晶出相またはそれに由来するＣｕ濃化相が残存している。また、Ｓｉ濃化相やＭｇ濃化相も存在する。本明細書では、このような「Ａｌ相ではなくＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の相でもない相」を「異相」と呼んでいる。ろう付け接合部において異相が存在する領域、すなわち、ろう付け時に溶融凝固した部分であることが明らかである領域についても、素地はＡｌ相であり、このＡｌ相はアルミニウム材料が元から存在していた部分のＡｌ相と明瞭な境界を有しないことから、本明細書ではこれら異相が存在する領域も「Ａｌ素地」に含めている（後述図４〜図６のＳＥＭ像参照）。特に、ろう材の使用量が比較的少ない場合やろう付け時間が比較的長い場合には、凝固組織に由来する異相の大部分が拡散により消失しており、溶融凝固した部分を把握することが一層困難となる。なお、Ａｌ相に固溶されるろう材由来のＣｕの濃度は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層から遠ざかるにしたがって徐々に減少する傾向にある。
【００２８】
発明者らの検討によれば、上記のような「鋼素地」、「Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層」、「Ａｌ素地」により構成される鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合部において、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は他の部分と比較して脆く、ろう付け接合部での破断はＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の内部に生じるクラックによって引き起こされることがわかった。発明者らはさらに詳細な検討の結果、このＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを１５μｍ以下とすることによって昇温・降温を繰り返したときのろう付け接合部における耐久性が顕著に改善されることを見出した。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを１０μｍ以下とすることがより効果的である。
【００２９】
図３に、本発明のろう付け接合構造における断面のＳＥＭ写真を例示する。これは後述実施例における試験Ｎｏ.６の例である。鋼素地表面に（Ａ）と表示したＡ相と（Ｂ）と表示したＢ相（Ａよりも黒っぽく見える相）が混在する層が形成されている。分析の結果、Ａ相、Ｂ相ともＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層であるが、Ａ相中にはＢ相中よりもＣｕが多く存在する。また、鋼材がステンレス鋼である場合には、Ａ相中にはＢ相中よりもＣｒが多く存在する。これらの相の近傍には白っぽく見える相が観察されるが、これはＣｕ−Ａｌ合金の晶出相またはそれに由来するＣｕ濃化相である。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さは、図３のような断面の組織観察を行い、鋼素地表面に沿う方向（図３の写真では横方向）の一定距離Ｌの観察領域に観測されるＡ相とＢ相の合計面積を算出し、これを距離Ｌで除することにより求めることができる。この場合、Ａ相またはＢ相に接しているＣｕ−Ａｌ合金の晶出相またはそれに由来するＣｕ濃化相や、その他の異相は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の構成要素ではないので、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さの測定においては無視する。観察される相がＡ相であるか、Ｂ相であるか、あるいはその他の相であるかは、ＥＤＸ等を用いた微視的分析などによって特定することができる。Ａ相、Ｂ相それぞれの面積は画像処理によって定めることが可能である。
【００３０】
Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下と薄い場合には、通常多くの場合、Ａ相とＢ相が混在する組織状態となる。そして、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層とＡｌ素地中のＡｌ相の界面は、主としてＢ相の晶出形態を反映した凹凸形態を呈している。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下好ましくは１０μｍ以下と薄いことだけでも、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層中での割れの発生および伝播は大幅に軽減されると考えられる。それに加え、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層が種類の異なるＡ相とＢ相の複相構造を有し、しかもＡｌ相との界面が凹凸形態を呈することによって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層がさらに強化され、昇温・降温の繰り返しに対する耐久性がより向上するものと考えられる。
【００３１】
ろう付け温度での保持中には、溶融したろう材が周囲の固相と反応するので、液相の組成は三元共晶組成からずれて融点が上昇し、ろう付け温度での保持時間がある程度長い場合には、その保持時間中に液相が消失するものと考えられる。そして、保持時間が長いほど原子の拡散が進行し、凝固組織は形を失っていく。発明者らの検討によれば、この原子の拡散に伴ってＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の厚さが増大し、Ｃｕ濃度が相対的に高いＡ相がＢ相を吸収して、やがてＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層はほとんどＡ相のみで構成されるようになる。このような状態になると、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の内部で粗大な割れが生じやすい。詳細な検討の結果、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍを超えるようになる前にろう付け温度での保持を終了し、冷却過程に移行することによって、粗大な割れが生じやすいＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の形成が回避される。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１０μｍを超えるようになる前に冷却過程に移行することがより好ましい。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に占めるＢ相の割合は３〜７０体積％程度であることが好ましい。なお、液相が消失するまでの時間は、保持温度およびろう材の使用量（生成する液相の量）に依存すると考えられるが、予備実験によりろう付け条件に応じたデータを収集しておくことによって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを１５μｍ以下好ましくは１０μｍ以下にコントロールすることができる。
【００３２】
〔ろう付け方法〕
ろう付けの方法は、
（i）ろう付け温度を５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度範囲とすること、
（ii）前記のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下好ましくは１０μｍ以下となるように短時間でろう付け温度での保持を終了し、冷却過程に移行させること、
を除き、従来一般的な方法に従えばよい。ろう付け温度は５７０℃以下あるいは５７０℃未満に管理することが一層好ましい。真空ろう付けの場合は、Ｍｇを含有する前記ろう材を適用し、上記（i）（ii）の条件を採用した上で、従来公知の真空ろう付け技術を利用すればよい。
【実施例】
【００３３】
鋼材として、フェライト系ステンレス鋼ＳＵＨ４０９をめっき原板とする溶融Ａｌめっき鋼板を用意した。板厚は０.８ｍｍ、片面あたりのめっき付着量は１２０ｇ／ｍ2、めっき層組成はＡｌ−９質量％Ｓｉである。
アルミニウム材料として、ＪＩＳ Ｈ４０００、合金番号１０５０に相当するＡｌ：９９.５質量％以上のアルミニウム合金板材を用意した。板厚は５ｍｍである。
ろう材として、Ａｌ−２７質量％Ｃｕ−４.５質量％Ｓｉ−２質量％Ｍｇ組成の合金シートを用意した。シート厚さは０.１ｍｍ、融点は約５３５℃である。
【００３４】
鋼材、アルミニウム材料、ろう材からそれぞれ２５ｍｍ×２５ｍｍ寸法の試料を切り出し、ステンレス鋼製の水平なトレイ上に、鋼材（０.８ｍｍ厚）、ろう材（０.１ｍｍ厚）、アルミニウム材料（５ｍｍ厚）の順で積み重ねて積層体とした。この積層体を水平に保った状態でトレイごと５５０℃の炉中に装入し、雰囲気圧力１×１０-3Ｐａで真空ろう付けに供した。積層体表面に取り付けた熱電対により材料温度をモニターし、材料温度が５３０℃に到達した時点からの在炉時間を「ろう付け保持時間」とした。ろう付け保持時間を２〜２０分の種々の段階に設定し、所定のろう付け保持時間が経過した時点で積層体を炉外に出して冷却過程に移行させた。このようにして、ろう付け保持時間の異なる種々の「ろう付け接合体」を得た。
【００３５】
各保持時間のろう付け接合体について、ろう付け接合部の断面組織を観察し、鋼素地表面に沿う方向の一定距離Ｌの観察領域に観測される前述のＡ相とＢ相の合計面積を算出し、これを距離Ｌで除することにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを求めた。また、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層（Ａ相とＢ相の合計面積）に占めるＢ相の割合を算出し、Ｂ相の割合が３〜７０体積％であるものを○、３体積％未満のものを×と評価した。○評価のものは、Ａ相＋Ｂ相の複相構造によるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の耐久性向上に効果的であると考えられる。
【００３６】
また、各保持時間のろう付け接合体について、「−４０℃の気相中で３０分保持 → １３０℃の気相中で３０分保持」を１サイクルとする冷熱衝撃試験を１００サイクル実施し、試験後のろう付け接合部の断面組織を観察した。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に生じた割れの程度により、以下の基準で冷熱衝撃特性を評価した。
◎：割れが認められない
○：割れが認められるが、局部的な微小な割れであり、上記冷熱サイクルでの伝播性はほとんどないと考えられる
△：発生した微小割れが伝播して繋がったと考えられる割れが部分的に認められるが、上記冷熱サイクルで連続的な割れに進展する可能性はほとんどないと考えられる
×：発生した割れが伝播して繋がったと考えられる連続的な割れが認められ、この割れは材料破断を招く恐れがある
上記において、△評価以上であれば、昇温・降温の繰り返しを伴う多くの伝熱用途において使用可能であると判断されることから、△評価以上を合格と判定した。○評価以上であれば、昇温・降温の繰り返しを伴う多くの伝熱用途において高い信頼性が得られる。
【００３７】
これらの結果を表１に示す。また参考のため、図４、図５および図６に、それぞれ試験Ｎｏ.６、Ｎｏ.５およびＮｏ.２について、冷熱衝撃試験前のろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１からわかるように、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるようにろう付け保持を終了し冷却過程に移行したものは、昇温・降温の繰り返しによる冷熱衝撃特性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一般的なパワーモジュールの構成例を模式的に示した図。
【図２】溶融Ａｌめっき鋼材のめっき層を含む断面のＳＥＭ写真。
【図３】本発明のろう付け接合構造における断面組織の一例を示したＳＥＭ写真。
【図４】試験Ｎｏ.６（本発明例）について、ろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示した図。
【図５】試験Ｎｏ.５（本発明例）について、ろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示した図。
【図６】試験Ｎｏ.２（比較例）について、ろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示した図。
【符号の説明】
【００４１】
１ 半導体素子
２ 半導体基板
３ 導体層
４ 絶縁基板
５ 裏面導体層
６ 放熱板
７ ヒートシンク
１０ 接合界面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材とアルミニウム材料とをろう付けすることによって得られるろう付け接合構造、およびそのろう付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材とアルミニウム材料を接合する方法としては、ボルト／ナットやかしめなどにより機械的に締結する方法、接着剤による方法、ろう付けによる方法がある。このうち、ろう付けによる接合方法は、例えば自動車のラジエーター部材など、鋼材とアルミニウム材料との間の熱伝導を重視する用途において特に有効である。鋼材とアルミニウム材料のろう付けは、従来、主としてＡｌ−Ｓｉ系合金のろう材（例えばＡｌ：８８原子％、Ｓｉ：１２原子％）を用いて行われている。
【０００３】
しかし、従来のろう付けでは、鋼材と、ろう材の溶融凝固層との界面に脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）が成長しやすく、必ずしも十分な接合強度が得られないという問題があった。特許文献１には、より融点の低いＡｌ−Ｓｉ−高Ｚｎ系のろう材を用いてろう付け温度を低くすることにより、脆い反応層の成長を抑制する手法が記載されている。
【０００４】
一方、一般的な鋼材はアルミニウム材料に比べ耐食性に劣ることなどから、鋼材としてＡｌめっき鋼板を使用し、これをアルミニウム材料とろう付けする手法が試みられてきた。特許文献２には、溶融Ａｌめっき鋼板とアルミニウム合金とをろう付けする際に、Ａｌめっき鋼板の原板としてＮを添加した鋼を使用することが開示されている。鋼中のＮは鋼素地とＡｌめっき層との間にＮ濃化層を形成し、これがバリアーとなって、ろう付け時に鋼中のＦｅがろう材側に拡散するのを阻害し、その結果、脆いＡｌ−Ｆｅ系合金層（反応層）の成長が抑制される。
【０００５】
【特許文献１】特公平７−２９２０２号公報
【特許文献２】特開平９−２２０６９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合は、アルミニウム材料の高い熱伝導性を利用して鋼材側を冷却する目的で利用されることが多い。アルミニウム材料は鋼材に比べ熱膨張率が大きいことから、両者間のろう付け接合部には、部材として使用されるときの昇温・降温によって、熱膨張率の差に起因した応力が付与される。鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合部には前述のように脆い合金層が形成され、ろう付け接合界面での耐久性が問題となることがある。このような合金層の問題は特許文献１、２の技術によりある程度改善することができる。
【０００７】
しかしながら、用途によっては耐食性の観点から鋼材としてステンレス鋼を使用することが想定される。ステンレス鋼の場合は特にろう付け温度が約５８０℃を超えると脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層が発達しやすい。このため例えば、従来一般的なＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて、従来と同様に高温でのろう付けを行った場合、脆いＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の厚さが増大し、高い接合強度を安定して得ることが難しい。
【０００８】
また、ステンレス鋼の場合には特許文献１に開示されるような低融点のろう材を用いて、低温でのろう付けを試みても、接合自体が不可能であるという問題がある。これは、ステンレス鋼に特有の不動態皮膜が何らかの影響を及ぼしているものと考えられる。さらに、特許文献２に示されるようなＮ添加の手法はステンレス鋼に対して有効でないことがわかった。すなわち、Ｎ含有量の高いステンレス鋼にＡｌめっきを施す手法を採用しても、脆い合金層の成長を抑制することは困難である。これは、ステンレス鋼にはＮとの親和力の大きいＣｒが多量に含有されているので、溶融Ａｌめっき層の下にバリアーとなるＮ濃化層を形成することが困難となるからではないかと推察される。
したがって、鋼材としてステンレス鋼を使用した場合でも、鋼材とアルミニウム材料の間のろう付け接合界面における耐久性を十分に確保できるろう付け技術の確立が強く求められている。
【０００９】
一方、最近ではパワーモジュールなどの半導体基板の放熱板として、安価かつ薄肉の鋼板素材を適用しようという試みがなされている。
図１に一般的なパワーモジュールの構成例を模式的に示す。半導体素子１を搭載する半導体基板２は、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックスからなる絶縁基板４の表面に銅またはアルミニウムの導体層３が接合されており、その上に半導体素子１が取り付けられる。絶縁基板４の裏面（半導体素子１と反対側の面）には熱伝導性の良好な銅またはアルミニウムからなる裏面導体層５が接合されている。半導体基板２の裏面導体層５は、ろう付けにより放熱板６と接合される。放熱板６は例えばヒートシンク７に取り付けられる。
【００１０】
絶縁基板４のセラミックスは放熱板６の金属材料に比べ熱膨張率が小さいため、絶縁基板４に拘束されている裏面導体層５の見かけの熱膨張率は放熱板６よりも小さい状態となっている。したがって、電子部品として使用されるときの繰り返しの昇温・降温によって接合界面１０には双方の熱膨張率の差に起因した応力が繰り返し付与され、接合界面１０での耐久性が問題となることがある。接合界面１０に生じるこのような応力を緩和するためには、放熱板６をできるだけ熱膨張率の小さい金属材料で構成することが有利となる。このため、例えば熱膨張率が小さく熱伝導性も比較的良好なＣｕ−Ｍｏ合金板を２枚の銅板の間に挟んだ構造の放熱板材料が採用されることもある。しかし、この種の放熱板材料は非常に高価であるという欠点がある。
【００１１】
安価で、かつ熱膨張率の小さい金属材料として、マトリクスがフェライト相である鋼材を挙げることができる。鋼材は銅やアルミニウムと比べ熱伝導性には劣るが、発明者らの検討によれば板厚を薄くすることで放熱板に要求される熱伝導特性を満たすことが可能であると考えられる。しかしながら、例えば裏面導体層５がアルミニウム材料である場合、放熱板６に鋼材を用いると、接合界面１０に生じる脆い合金層によって接合界面１０での耐久性が不十分となることが懸念される。放熱板用途に鋼材を適用する場合、耐食性の良好なステンレス鋼を採用することが想定される。ステンレス鋼を用いるとアルミニウム材料とのろう付け接合界面における耐久性を改善することが一層難しくなることは前述の通りである。
【００１２】
本発明はこのような現状に鑑み、鋼材とアルミニウム材料とのろう付けにおいて、たとえ鋼材がステンレス鋼であっても、昇温・降温を繰り返した場合の接合界面での耐久性を安定して顕著に向上させることができる手法を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、Ａｌ素地（ただしＡｌ素地中に凝固組織に起因する異相が存在していても構わない）により構成され、前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は下記（１）の条件を満たすものであり、好ましくはさらに下記（２）を満たすものである鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造によって達成される。
（１）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下であること
（２）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は、Ｃｕ濃度が異なる２種類のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の相が混在した構成を有するものであること
【００１４】
上記のろう付け接合構造は、例えば半導体基板と放熱板との接合に適用できる。すなわち本発明では、前記アルミニウム材料が半導体基板の裏面（搭載される素子と反対側の面）を構成する部材であり、前記鋼材が半導体基板と接合される放熱板である前記のろう付け接合構造が提供される。
【００１５】
このようなろう付け接合構造を構築するために手法として、本発明では、Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料を、それら双方の材料間に融点５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が介在する状態で、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度の炉中に装入してろう材を溶融させ、ろう付け接合部の鋼素地表面に成長するＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法が提供される。真空ろう付けを行う場合は、上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材として特にＭｇを４質量％以下の範囲で含有するものを使用すればよい。ここでいう「真空ろう付け」は上記保持温度における雰囲気の圧力を１×１０-2Ｐａ以下として行うろう付けである。「Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さ」は、ろう付け熱処理終了後（上記保持温度から常温まで冷却された時点）におけるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さ、すなわち、ろう付け後の材料で観察されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さである。
【００１６】
前記の鋼材としてはステンレス鋼を採用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、鋼材とアルミニウム材料のろう付けにおいて、その接合界面に両材料の熱膨張率の相違に起因した応力が繰り返し付与された場合でも高い耐久性を示す接合構造が安定して得られるようになった。鋼材としてはステンレス鋼を使用することもでき、また真空ろう付けにも対応可能である。したがって本発明は、鋼材とアルミニウム材料との間で熱伝達を行う各種部材に広く適用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
〔鋼材〕
本発明では鋼材としては「Ａｌめっき鋼材」を使用する。鋼材の表面にＡｌめっき層が存在することにより、ろう材との反応性が向上し、ろう付け温度の低減が可能となる。
Ａｌめっき層は、Ｓｉを５〜１３質量％含有するＡｌ−Ｓｉ合金浴に鋼材を浸漬することによって得られる溶融Ａｌめっき層とすることが好ましい。
【００１９】
図２に、溶融Ａｌめっき鋼材のめっき層を含む断面のＳＥＭ写真を例示する。この例は母材として板厚０.８ｍｍのＳＵＨ４０９を用いたものである。めっき浴組成はＡｌ−９質量％Ｓｉであり、Ｓｉの残部はＡｌと不可避的不純物である。めっき層の鋼素地近傍には反応層が形成されている。この反応層はめっき浴のＡｌおよびＳｉと母材のＦｅが反応して形成されたものであり、母材がステンレス鋼の場合はこの反応層が成長しやすい傾向にある。ただし、めっき層の組成は浴組成とほぼ同じになることが確認されている。ろう付けを行うと、Ａｌめっき層および反応層は溶融したろう材と反応し、鋼素地近傍には新たな反応層（後述のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層）が形成されることになる。
【００２０】
溶融Ａｌめっき浴中にＳｉを含有させることにより融点が低下し、めっき浴温を下げることができる。また形成されるＡｌめっき層の融点も低下することから、ろう付け時にろう材との反応性も良好となる。このような効果を十分に得るためにはＡｌめっき層中のＳｉ含有量を５〜１３質量％とすることが好ましく、７〜１１質量％の範囲に管理しても構わない。母材として「鋼板」を使用する場合、一般的な連続溶融めっきラインを用いて製造される溶融Ａｌめっき鋼板が好適な対象となる。Ａｌめっき付着量は鋼板片面あたり例えば１５〜１５０ｇ／ｍ2とすれば良く、３０〜１００ｇ／ｍ2とすることがより好ましい。
【００２１】
母材の鋼は、溶融Ａｌめっきを施すことが可能な種々の鋼種を適用することができ、用途に応じて選択すればよい。耐食性が要求される用途に対してはステンレス鋼を採用することが望ましい。「ステンレス鋼」はＪＩＳ Ｇ０２０３：２０００の番号４２０１に示されるようにＣｒ含有量１０.５質量％以上の鋼であるが、製造性やコストを考慮するとＣｒ含有量は３２質量％以下の範囲とすることが望ましい。フェライト系鋼種はオーステナイト系鋼種よりも熱膨張率が小さいことから、例えば半導体基板を接合する放熱板の用途ではフェライト系ステンレス鋼を適用することが望ましい。アルミニウム材料自体の熱膨張率にできるだけ近い鋼材を適用したい場合はオーステナイト系ステンレス鋼が有利となる。
【００２２】
フェライト系ステンレス鋼の成分組成を例示すると、Ｃ：０.１２％以下、Ｓｉ：１％以下、Ｍｎ：１％以下、Ｐ：０.０４％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｃｒ：１０.５〜３２％とくに１１〜２０％であり、必要に応じてＭｏ：３％以下、Ｃｕ：１％以下、Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｚｒの合計：０.８％以下、Ｎｉ：０.６％以下、Ｂ：０.１％以下、Ｖ：１％以下、Ｃａ：０.１％以下、Ｍｇ：０.１％以下、Ｙ：０.１％以下、ＲＥＭ（希土類元素）：０.１％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を挙げることができる。既存の規格鋼種としては、例えばＪＩＳ ４３０５：２００５の表４や、ＪＩＳ Ｇ４３１２−１９９１の表３に記載されるフェライト系鋼種を採用することができる。
【００２３】
オーステナイト系ステンレス鋼の成分組成を例示すると、質量％で、Ｃ：０.１２％以下、Ｓｉ：４％以下とくに１％以下、Ｍｎ：５％以下とくに２％以下、Ｐ：０.０４５％以下、Ｓ：０.０３％以下、Ｎｉ：６〜２８％とくに８〜１４％、Ｃｒ：１５〜３２％とくに１６〜２６％、Ｎ：０.３％以下であり、必要に応じてＭｏ：７％以下とくに３％以下、Ｃｕ：４％以下とくに２％以下、Ｔｉ＋Ｎｂ＋Ｚｒの合計：０.８％以下、Ｂ：０.１％以下、Ｖ：１％以下、Ｃａ：０.１％以下、Ｍｇ：０.１％以下、Ｙ：０.１％以下、ＲＥＭ（希土類元素）：０.１％以下の１種以上を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる組成を挙げることができる。既存の規格鋼種としては、例えばＪＩＳ ４３０５：２００５の表２や、ＪＩＳ Ｇ４３１２−１９９１の表２に記載されるオーステナイト系鋼種を採用することができる。
【００２４】
〔アルミニウム材料〕
アルミニウム材料は、純Ａｌや、マトリクスがＡｌ相である種々のＡｌ合金（Ａｌ含有量８０質量％以上、好ましくは８５質量％以上）が適用対象となる。既存の規格材料としては、ＪＩＳ Ｈ４０００に規定される種々のもの（１０００系〜８０００系）が採用できる。
【００２５】
〔ろう材〕
ろう材は、融点が５５０℃未満のものを使用する。５４０℃未満のものがより好ましい。アルミニウム合金用の従来一般的なろう材としてはＡｌ−Ｓｉ系のものが知られており、例えばＳｉ：約１２原子％を含む組成のものが主流である。しかし、Ａｌ−Ｓｉ系は融点が５７０℃を超えて高く、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の厚さをできるだけ薄くすることが重要となる本発明では使用できない。
【００２６】
種々検討の結果、本発明ではＣｕを含有するＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金で、融点が５５０℃未満となる組成のろう材を使用する。具体的にはＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ三元共晶点のＡｌ−２６.７質量％Ｃｕ−５.３質量％Ｓｉ組成（共晶点温度；約５２４℃）またはこれに近い組成であって融点が５５０℃未満好ましくは５４０℃未満となる範囲の組成を採用する。ただし、フラックスを使用しない真空ろう付けに供する場合は、上記のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金にＭｇを４質量％以下の範囲で添加した組成のものを適用することが好ましい。被接合材であるＡｌめっき鋼材およびアルミニウム材料の表面は安定なＡｌ酸化物に覆われている。ろう材中に配合されるＭｇはろう材が溶融したときにＡｌ酸化物の還元剤として働き、フラックスを使用しなくてもＡｌめっき鋼材およびアルミニウム材料との反応性を確保することができる。このような作用を十分に引き出すためにはろう材中のＭｇ含有量を０.３質量％以上とすることが望ましく、０.５質量％以上とすることがより好ましい。ただし、Ｍｇをあまり多量に含有させる必要はなく、４質量％以下の範囲で調整すればよい。例えば２.５質量％以下の範囲に管理しても構わない。Ｍｇを含有させることにより、ろう材の融点は若干変動することがあるが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｉの配合比が前記の共晶組成またはそれに近い組成であれば融点が５５０℃未満好ましくは５４０℃未満となるＭｇ含有Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を得ることが十分可能である。
【００２７】
〔ろう付け接合構造〕
Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材を用いてろう付け接合すると、ろう付け部の構造は、鋼材側から順に、「鋼素地」、「Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層」、「Ａｌ素地」となる。Ａｌ素地は、アルミニウム材料が元から存在していた領域と、鋼材のＡｌめっき層、ろう材およびアルミニウム材料が反応して形成された領域からなるが、それら双方の領域の境界は必ずしも明瞭ではない。本発明のろう付け接合構造においては多くの場合、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に近い部分には通常、Ｃｕ−Ａｌ合金の晶出相またはそれに由来するＣｕ濃化相が残存している。また、Ｓｉ濃化相やＭｇ濃化相も存在する。本明細書では、このような「Ａｌ相ではなくＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の相でもない相」を「異相」と呼んでいる。ろう付け接合部において異相が存在する領域、すなわち、ろう付け時に溶融凝固した部分であることが明らかである領域についても、素地はＡｌ相であり、このＡｌ相はアルミニウム材料が元から存在していた部分のＡｌ相と明瞭な境界を有しないことから、本明細書ではこれら異相が存在する領域も「Ａｌ素地」に含めている（後述図４〜図６のＳＥＭ像参照）。特に、ろう材の使用量が比較的少ない場合やろう付け時間が比較的長い場合には、凝固組織に由来する異相の大部分が拡散により消失しており、溶融凝固した部分を把握することが一層困難となる。なお、Ａｌ相に固溶されるろう材由来のＣｕの濃度は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層から遠ざかるにしたがって徐々に減少する傾向にある。
【００２８】
発明者らの検討によれば、上記のような「鋼素地」、「Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層」、「Ａｌ素地」により構成される鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合部において、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は他の部分と比較して脆く、ろう付け接合部での破断はＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の内部に生じるクラックによって引き起こされることがわかった。発明者らはさらに詳細な検討の結果、このＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを１５μｍ以下とすることによって昇温・降温を繰り返したときのろう付け接合部における耐久性が顕著に改善されることを見出した。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを１０μｍ以下とすることがより効果的である。
【００２９】
図３に、本発明のろう付け接合構造における断面のＳＥＭ写真を例示する。これは後述実施例における試験Ｎｏ.６の例である。鋼素地表面に（Ａ）と表示したＡ相と（Ｂ）と表示したＢ相（Ａよりも黒っぽく見える相）が混在する層が形成されている。分析の結果、Ａ相、Ｂ相ともＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層であるが、Ａ相中にはＢ相中よりもＣｕが多く存在する。また、鋼材がステンレス鋼である場合には、Ａ相中にはＢ相中よりもＣｒが多く存在する。これらの相の近傍には白っぽく見える相が観察されるが、これはＣｕ−Ａｌ合金の晶出相またはそれに由来するＣｕ濃化相である。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さは、図３のような断面の組織観察を行い、鋼素地表面に沿う方向（図３の写真では横方向）の一定距離Ｌの観察領域に観測されるＡ相とＢ相の合計面積を算出し、これを距離Ｌで除することにより求めることができる。この場合、Ａ相またはＢ相に接しているＣｕ−Ａｌ合金の晶出相またはそれに由来するＣｕ濃化相や、その他の異相は、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の構成要素ではないので、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さの測定においては無視する。観察される相がＡ相であるか、Ｂ相であるか、あるいはその他の相であるかは、ＥＤＸ等を用いた微視的分析などによって特定することができる。Ａ相、Ｂ相それぞれの面積は画像処理によって定めることが可能である。
【００３０】
Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下と薄い場合には、通常多くの場合、Ａ相とＢ相が混在する組織状態となる。そして、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層とＡｌ素地中のＡｌ相の界面は、主としてＢ相の晶出形態を反映した凹凸形態を呈している。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下好ましくは１０μｍ以下と薄いことだけでも、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層中での割れの発生および伝播は大幅に軽減されると考えられる。それに加え、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層が種類の異なるＡ相とＢ相の複相構造を有し、しかもＡｌ相との界面が凹凸形態を呈することによって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層がさらに強化され、昇温・降温の繰り返しに対する耐久性がより向上するものと考えられる。
【００３１】
ろう付け温度での保持中には、溶融したろう材が周囲の固相と反応するので、液相の組成は三元共晶組成からずれて融点が上昇し、ろう付け温度での保持時間がある程度長い場合には、その保持時間中に液相が消失するものと考えられる。そして、保持時間が長いほど原子の拡散が進行し、凝固組織は形を失っていく。発明者らの検討によれば、この原子の拡散に伴ってＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の厚さが増大し、Ｃｕ濃度が相対的に高いＡ相がＢ相を吸収して、やがてＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層はほとんどＡ相のみで構成されるようになる。このような状態になると、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の内部で粗大な割れが生じやすい。詳細な検討の結果、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍを超えるようになる前にろう付け温度での保持を終了し、冷却過程に移行することによって、粗大な割れが生じやすいＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の形成が回避される。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１０μｍを超えるようになる前に冷却過程に移行することがより好ましい。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に占めるＢ相の割合は３〜７０体積％程度であることが好ましい。なお、液相が消失するまでの時間は、保持温度およびろう材の使用量（生成する液相の量）に依存すると考えられるが、予備実験によりろう付け条件に応じたデータを収集しておくことによって、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを１５μｍ以下好ましくは１０μｍ以下にコントロールすることができる。
【００３２】
〔ろう付け方法〕
ろう付けの方法は、
（i）ろう付け温度を５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度範囲とすること、
（ii）前記のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下好ましくは１０μｍ以下となるように短時間でろう付け温度での保持を終了し、冷却過程に移行させること、
を除き、従来一般的な方法に従えばよい。ろう付け温度は５７０℃以下あるいは５７０℃未満に管理することが一層好ましい。真空ろう付けの場合は、Ｍｇを含有する前記ろう材を適用し、上記（i）（ii）の条件を採用した上で、従来公知の真空ろう付け技術を利用すればよい。
【実施例】
【００３３】
鋼材として、フェライト系ステンレス鋼ＳＵＨ４０９をめっき原板とする溶融Ａｌめっき鋼板を用意した。板厚は０.８ｍｍ、片面あたりのめっき付着量は１２０ｇ／ｍ2、めっき層組成はＡｌ−９質量％Ｓｉである。
アルミニウム材料として、ＪＩＳ Ｈ４０００、合金番号１０５０に相当するＡｌ：９９.５質量％以上のアルミニウム合金板材を用意した。板厚は５ｍｍである。
ろう材として、Ａｌ−２７質量％Ｃｕ−４.５質量％Ｓｉ−２質量％Ｍｇ組成の合金シートを用意した。シート厚さは０.１ｍｍ、融点は約５３５℃である。
【００３４】
鋼材、アルミニウム材料、ろう材からそれぞれ２５ｍｍ×２５ｍｍ寸法の試料を切り出し、ステンレス鋼製の水平なトレイ上に、鋼材（０.８ｍｍ厚）、ろう材（０.１ｍｍ厚）、アルミニウム材料（５ｍｍ厚）の順で積み重ねて積層体とした。この積層体を水平に保った状態でトレイごと５５０℃の炉中に装入し、雰囲気圧力１×１０-3Ｐａで真空ろう付けに供した。積層体表面に取り付けた熱電対により材料温度をモニターし、材料温度が５３０℃に到達した時点からの在炉時間を「ろう付け保持時間」とした。ろう付け保持時間を２〜２０分の種々の段階に設定し、所定のろう付け保持時間が経過した時点で積層体を炉外に出して冷却過程に移行させた。このようにして、ろう付け保持時間の異なる種々の「ろう付け接合体」を得た。
【００３５】
各保持時間のろう付け接合体について、ろう付け接合部の断面組織を観察し、鋼素地表面に沿う方向の一定距離Ｌの観察領域に観測される前述のＡ相とＢ相の合計面積を算出し、これを距離Ｌで除することにより、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さを求めた。また、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層（Ａ相とＢ相の合計面積）に占めるＢ相の割合を算出し、Ｂ相の割合が３〜７０体積％であるものを○、３体積％未満のものを×と評価した。○評価のものは、Ａ相＋Ｂ相の複相構造によるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の耐久性向上に効果的であると考えられる。
【００３６】
また、各保持時間のろう付け接合体について、「−４０℃の気相中で３０分保持 → １３０℃の気相中で３０分保持」を１サイクルとする冷熱衝撃試験を１００サイクル実施し、試験後のろう付け接合部の断面組織を観察した。Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層に生じた割れの程度により、以下の基準で冷熱衝撃特性を評価した。
◎：割れが認められない
○：割れが認められるが、局部的な微小な割れであり、上記冷熱サイクルでの伝播性はほとんどないと考えられる
△：発生した微小割れが伝播して繋がったと考えられる割れが部分的に認められるが、上記冷熱サイクルで連続的な割れに進展する可能性はほとんどないと考えられる
×：発生した割れが伝播して繋がったと考えられる連続的な割れが認められ、この割れは材料破断を招く恐れがある
上記において、△評価以上であれば、昇温・降温の繰り返しを伴う多くの伝熱用途において使用可能であると判断されることから、△評価以上を合格と判定した。○評価以上であれば、昇温・降温の繰り返しを伴う多くの伝熱用途において高い信頼性が得られる。
【００３７】
これらの結果を表１に示す。また参考のため、図４、図５および図６に、それぞれ試験Ｎｏ.６、Ｎｏ.５およびＮｏ.２について、冷熱衝撃試験前のろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１からわかるように、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるようにろう付け保持を終了し冷却過程に移行したものは、昇温・降温の繰り返しによる冷熱衝撃特性が良好である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】一般的なパワーモジュールの構成例を模式的に示した図。
【図２】溶融Ａｌめっき鋼材のめっき層を含む断面のＳＥＭ写真。
【図３】本発明のろう付け接合構造における断面組織の一例を示したＳＥＭ写真。
【図４】試験Ｎｏ.６（本発明例）について、ろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示した図。
【図５】試験Ｎｏ.５（本発明例）について、ろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示した図。
【図６】試験Ｎｏ.２（比較例）について、ろう付け接合部断面のＳＥＭ像およびＥＰＭＡによる元素検出結果を示した図。
【符号の説明】
【００４１】
１ 半導体素子
２ 半導体基板
３ 導体層
４ 絶縁基板
５ 裏面導体層
６ 放熱板
７ ヒートシンク
１０ 接合界面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、Ａｌ素地（ただしＡｌ素地中に凝固組織に起因する異相が存在していても構わない）により構成され、前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は下記（１）の条件を満たすものである鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
（１）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下であること
【請求項２】
前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は前記（１）の条件に加え、さらに下記（２）の条件をを満たすものである請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
（２）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は、Ｃｕ濃度が異なる２種類のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の相が混在した構成を有するものであること
【請求項３】
鋼材がステンレス鋼である請求項１または２に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
【請求項４】
前記アルミニウム材料が半導体基板の裏面（搭載される素子と反対側の面）を構成する部材であり、前記鋼材が半導体基板と接合される放熱板である請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
【請求項５】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料とを、それら双方の材料間に融点５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が介在する状態で、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度の炉中に装入してろう材を溶融させ、鋼素地表面に形成されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
【請求項６】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料とを、それら双方の材料間にＭｇを４質量％以下の範囲で含有する融点５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が介在する状態で、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度の炉中に装入して真空中でろう材を溶融させ、鋼素地表面に形成されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
【請求項７】
鋼材がステンレス鋼である請求項５または６に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
【請求項１】
Ａｌめっき鋼材とアルミニウム材料を融点が５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系合金組成のろう材を用いてろう付けした接合構造であって、鋼材側から順に、鋼素地、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層、Ａｌ素地（ただしＡｌ素地中に凝固組織に起因する異相が存在していても構わない）により構成され、前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は下記（１）の条件を満たすものである鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
（１）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下であること
【請求項２】
前記Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は前記（１）の条件に加え、さらに下記（２）の条件をを満たすものである請求項１に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
（２）Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層は、Ｃｕ濃度が異なる２種類のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金の相が混在した構成を有するものであること
【請求項３】
鋼材がステンレス鋼である請求項１または２に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
【請求項４】
前記アルミニウム材料が半導体基板の裏面（搭載される素子と反対側の面）を構成する部材であり、前記鋼材が半導体基板と接合される放熱板である請求項１〜３のいずれかに記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け接合構造。
【請求項５】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料とを、それら双方の材料間に融点５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が介在する状態で、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度の炉中に装入してろう材を溶融させ、鋼素地表面に形成されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
【請求項６】
Ｓｉ：５〜１３質量％を含有する溶融Ａｌめっき層を表面に有する鋼材と、アルミニウム材料とを、それら双方の材料間にＭｇを４質量％以下の範囲で含有する融点５５０℃未満のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系ろう材が介在する状態で、５３０℃以上かつろう材の融点以上、５８０℃以下の温度の炉中に装入して真空中でろう材を溶融させ、鋼素地表面に形成されるＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系合金層の平均厚さが１５μｍ以下となるように上記温度範囲における保持を終了し冷却過程に移行させる、鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
【請求項７】
鋼材がステンレス鋼である請求項５または６に記載の鋼材とアルミニウム材料のろう付け方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−４２４２２（Ｐ２０１０−４２４２２Ａ）
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０６９９２（Ｐ２００８−２０６９９２）
【出願日】平成２０年８月１１日（２００８．８．１１）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１１日（２００８．８．１１）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
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